智能流量控制器設(shè)計(jì)與制作

1、智能流量控制器設(shè)計(jì)與制作摘要本次課設(shè)設(shè)計(jì)了一款智能流量控制器，本產(chǎn)品主要是用AT89S51進(jìn)行控制。流 量傳感器采用渦輪式傳感器，其輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波整形電路后進(jìn)入單片機(jī), 再送入LED顯示，通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立按鍵分別控制瞬時(shí)流量顯示和總流量顯示。電磁閥 的開(kāi)度是通過(guò)PWM電路控制，用兩個(gè)獨(dú)立按鍵控制電磁閥的開(kāi)關(guān)檔位。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；智能流量；顯示3 / 23目錄第1章緒論1第2章課程設(shè)計(jì)的方案22設(shè)計(jì)任務(wù)與要求22.2系統(tǒng)的方案論證22.2.1單片機(jī)芯片型號(hào)選擇22.2.2顯示模塊選擇32.2.3傳感器的選擇32.3系統(tǒng)總框圖32.4按鍵示意圖4第3章硬件設(shè)計(jì)53單片機(jī)的時(shí)鐘電路53.2單片機(jī)

2、的復(fù)位電路53.3LED顯示系統(tǒng)電路63.4流量傳感器的選擇63.5濾波整形電路73.6PWM 驅(qū)動(dòng)電路83.7電磁閥的選型83.8系統(tǒng)原理圖9第4章軟件設(shè)計(jì)104系統(tǒng)總流程圖104.2系統(tǒng)程序114.3端口分配說(shuō)明11第5章課程設(shè)計(jì)總結(jié)12參考文獻(xiàn)13附錄14智能流量控制器設(shè)計(jì)與制作第1章緒論城鎮(zhèn)供水流量控制系統(tǒng)是極其重要系統(tǒng)，確保其安全可靠地運(yùn)行和正確有效 地管理具有重大意義。在保證供水水質(zhì)和水量安全可靠的前提下，準(zhǔn)確的檢測(cè)供 水流量和控制自來(lái)水流量的大小尤其重要。為了檢測(cè)自來(lái)水流量系統(tǒng)的社會(huì)效益 和經(jīng)濟(jì)效益，采用現(xiàn)代化的技術(shù)手段、先進(jìn)的控制理論來(lái)提檢測(cè)技術(shù)，運(yùn)用計(jì)算機(jī) 技術(shù)對(duì)城市用戶(hù)供水

3、流量檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行管理、監(jiān)控和優(yōu)化調(diào)度勢(shì)在必行。我國(guó)家用自來(lái)水流量自動(dòng)化控制系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程可分為三個(gè)階段：第一階段 是分散控制階段，該時(shí)期自來(lái)水流量各部分分別進(jìn)行自動(dòng)控制，各獨(dú)立系統(tǒng)互不 相關(guān)；第二階段是自來(lái)水流量綜合自動(dòng)化階段，在該時(shí)期整個(gè)自來(lái)水流量控制作 為一個(gè)綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)，同時(shí)各個(gè)獨(dú)立子系統(tǒng)乂可以獨(dú)立工作，該 系統(tǒng)共享整個(gè)水廠的信息，同時(shí)乂有分散控制的可靠性。現(xiàn)階段大部分流量控制 處于此階段；第三階段是供水系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化階段，該階段要求在一個(gè)區(qū)域的 供水企業(yè)共享信息，實(shí)現(xiàn)整個(gè)城市或地區(qū)供水系統(tǒng)的自動(dòng)控制。U前我國(guó)的中小 型水廠大部分處于第一或第二階段，只有很少大型水廠達(dá)到了

4、第三階段。在國(guó)外， 如加拿大、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家基本實(shí)現(xiàn)了供水系統(tǒng)的全自動(dòng)化，而且開(kāi)始進(jìn)行分質(zhì) 供水，同時(shí)對(duì)水廠內(nèi)部的自控系統(tǒng)也在不斷地進(jìn)行改進(jìn)和提高。7 / 23第2章課程設(shè)計(jì)的方案2.1設(shè)計(jì)任務(wù)與要求通過(guò)流量傳感器和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)家用自來(lái)水流量的自動(dòng)訃量、顯示和閥門(mén)的 自動(dòng)控制。按下顯示按鍵，可顯示用戶(hù)的瞬時(shí)流量和天、周、月、年的累積流 量，顯示10秒后，自動(dòng)消隱。按下流量控制鍵，用戶(hù)通過(guò)輸入流量等級(jí)（共 分為io級(jí)，等級(jí)越高，閥門(mén)開(kāi)度越大），控制自來(lái)水的流量。技術(shù)參數(shù)：1. 管道通徑：DN1050流速范圍：015m/s2. 流量檢測(cè)誤差孕1%3. 瞬時(shí)流量顯示：4位有效數(shù)字，最大累積流量顯示：8

5、位有效數(shù)字4. 閥門(mén)：電磁閥，輸入信號(hào)DC 420mA2.2系統(tǒng)的方案論證2.2.1單片機(jī)芯片型號(hào)選擇在多數(shù)電子設(shè)計(jì)當(dāng)中，基于性?xún)r(jià)比的考慮，8位單片機(jī)仍是首選。目前，8位 單片機(jī)在國(guó)內(nèi)外仍占有重要地位。在8位單片機(jī)中乂以MCS-51系列單片機(jī)與 其兼容機(jī)所占的份額最大。MCS-51的硬件結(jié)構(gòu)決定了其指令系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生變 化，設(shè)計(jì)人員可以很容易的對(duì)不同公司的單片機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行選型，他們只需將重點(diǎn) 放在芯片內(nèi)部資源的比較上。在以前的電子設(shè)計(jì)中，應(yīng)用比較廣泛的單片機(jī)是AT89C51單片機(jī)了，但是該 單片機(jī)最致命的缺陷在于不支持ISP功能。Atmel公司U前已經(jīng)停止了 AT89C51 生產(chǎn)，51單片機(jī)必須加

6、上ISP功能才能更好延續(xù)MCS-51的傳奇，AT89S51就 是在這樣的背景下誕生的，U前AT89S51已經(jīng)成為了實(shí)際應(yīng)用市場(chǎng)上的新寵兒。 89S51在工藝上進(jìn)行了改進(jìn)，它釆用0.35 mm新工藝，不但降低成本了，而且增 加了功能，提升了單片機(jī)性能，提高了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。AT89S51新增了許多功能，性能也有了較大的提升，但是價(jià)格仍舊與AT89 C51的價(jià)格一致。新增的功能之中最具有影響力的就是ISP在線(xiàn)編程功能，這個(gè) 功能的優(yōu)勢(shì)在于，改寫(xiě)單片機(jī)Flash存儲(chǔ)器內(nèi)的程序不需要把芯片從工作環(huán)境中 剝離。是一個(gè)強(qiáng)大易用的功能。顯然，AT89S51在性能上比AT89C51要優(yōu)良得多，因?yàn)樗坏贏T89

7、C51 的基礎(chǔ)上增加了許多功能，而且價(jià)格基本沒(méi)有提高，所以在器件選擇的時(shí)候首先 排除AT89C51,對(duì)于市場(chǎng)上的另外一種比較流行的單片機(jī)C8051F,盡管它在性 能、功能上都要比AT89S51優(yōu)良很多，但是它的價(jià)格是S51的數(shù)倍，本系統(tǒng)使用 S51已經(jīng)完全能夠?qū)崿F(xiàn)所需要的功能，基于成本的考慮，放棄C8051F,選擇AT 89S51作為本系統(tǒng)的主控單元。2.2.2顯示模塊選擇本設(shè)計(jì)要求顯示8位數(shù)字，可由以下方案完成。方案一：釆用LCD液晶顯示屏，液晶顯示屏的顯示功能強(qiáng)大，可顯示大量文字，圖形，顯 示多樣，清晰可見(jiàn),但是價(jià)格昂貴，需要的接口線(xiàn)多，所以在此設(shè)計(jì)中不釆用LCD液 晶顯示屏.方案二：采用

8、點(diǎn)陣式數(shù)碼管顯示，點(diǎn)陣式數(shù)碼管是山八行八列的發(fā)光二極管組成，對(duì) 于顯示文字比較適合，如采用在顯示數(shù)字顯得太浪費(fèi)，且價(jià)格也相對(duì)較高，所以也不 用此種作為顯示.方案三：釆用LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描,LED數(shù)碼管價(jià)格適中,對(duì)于顯示數(shù)字最合適，而且 釆用動(dòng)態(tài)掃描法與單片機(jī)連接時(shí)，占用的單片機(jī)口線(xiàn)少。所以釆用了 8位LED數(shù)碼管作為顯示。223傳感器的選擇本次課設(shè)選擇的流量傳感器是渦輪傳感器，渦輪流量傳感器是精密流量測(cè)量 工具之一，基本誤差小，量程比寬，動(dòng)態(tài)特性好，時(shí)間常數(shù)小，可測(cè)量脈動(dòng)流量, 耐高壓與壓力損失小，使用溫度范圉寬，可輸出數(shù)字信號(hào)，便于與微機(jī)或數(shù)字電 路接口，有較強(qiáng)的抗干擾能力，廣泛應(yīng)用于測(cè)量

9、液體瞬時(shí)流量或總量。山于其他流 量傳感器輸出信號(hào)大多為電信號(hào)，還需經(jīng)濾波放大進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換，花費(fèi)高，精度差， 所以選擇渦輪傳感器來(lái)進(jìn)行本次課設(shè)的流量檢測(cè)。2.3系統(tǒng)總框圖該系統(tǒng)從渦輪傳感器檢測(cè)水的流量，其輸出脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波整形電路進(jìn)入 單片機(jī)進(jìn)行換算并累計(jì)。轉(zhuǎn)換后的信號(hào)送入LED數(shù)碼管上顯示流量值。并通過(guò)控制PWM電路來(lái)控制電磁閥門(mén)的開(kāi)度檔位變換。用四個(gè)獨(dú)立按鍵來(lái)控制瞬時(shí)流量、 總流量、閥門(mén)開(kāi)大和閥門(mén)開(kāi)小四個(gè)功能。系統(tǒng)總框圖如圖3.1所示圖2.1系統(tǒng)總框圖2. 4按鍵示意圖O O總閥門(mén)些一檔CC閥門(mén)出、一檔CCP1.0pi. iPl.2Pl.3圖2. 2按鍵示意圖第3章硬件設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)的時(shí)

10、鐘電路AT89S51單片機(jī)內(nèi)部的振蕩電路是一個(gè)高增益反向放大器，引線(xiàn)XTAL1和XTAL2分別是放大器的輸入端和輸出端。單片機(jī)內(nèi)部雖然有振蕩電路，但要形成 時(shí)鐘，外部還需附加電路。AT89S51的時(shí)鐘產(chǎn)生方式有兩種：圖3.1片內(nèi)振蕩電路的時(shí)鐘電路內(nèi)部時(shí)鐘電方式和外部時(shí)鐘方式。由于外部時(shí)鐘方式用于多片單片機(jī)組成的系統(tǒng) 中，所以此處選用內(nèi)部時(shí)鐘方式。即利用其內(nèi)部的振蕩電路在XTAL1和XTAL2 引線(xiàn)上外接定時(shí)元件，內(nèi)部振蕩電路產(chǎn)生自激振蕩。最常用的是在XTAL1和 XTAL2之間接晶體振蕩器與電路構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器，如圖3.電路所示為單片 機(jī)最常用的時(shí)鐘振蕩電路的接法，其中晶振可選用振蕩頻率為

11、12MHz的石英晶 體，兩個(gè)電容器一般選擇30PF左右。3.2單片機(jī)的復(fù)位電路VCC丁Hri2(M)2 2UFRESEROIl21 K圖3.2AT89C51的復(fù)位電路本設(shè)計(jì)中AT89S51是采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種方式。最簡(jiǎn)單的復(fù)位 電路如圖3.2所示。上電瞬間，RC電路充電，RST引線(xiàn)端出現(xiàn)正脈沖，只要RST端保持10ms以上的高電平，就能使單片機(jī)有效地復(fù)位。其中R1和R2分別選擇 200Q和1KI2的電阻，電容器一般選擇22應(yīng)。3.3 LED顯示系統(tǒng)電路山于系統(tǒng)要顯示的內(nèi)容比較簡(jiǎn)單，顯示量不多，所以選用數(shù)碼管既方便乂經(jīng) 濟(jì)。一位顯示器由8個(gè)發(fā)光二極管組成，其中7個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成字型“

12、8”的各個(gè) 筆劃（段）ag,另一個(gè)小數(shù)點(diǎn)為dp發(fā)光二極管。當(dāng)在某段發(fā)光二極管施加一定 的正向電壓時(shí)，該段筆劃即亮；不加電壓則暗。為了保護(hù)各段LED不被損壞，需 外加限流電阻。各發(fā)光二極管是否點(diǎn)亮取決于a-dp各引腳上是否是高電平。-J J 1- J 4 5 A J1- oooooooo ppppppppp圖3.3 8位數(shù)碼顯示驅(qū)動(dòng)LED的是74HC573鎖存器,U1用來(lái)控制位選信號(hào),U2用來(lái)控制段選信號(hào)。 通過(guò)控制兩個(gè)芯片的片選為來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描顯示方式。3.4流量傳感器的選擇LWGY系列渦輪流量傳感器基于力矩平衡原理，屬于速度式流量?jī)x表。傳感器 為硬質(zhì)合金軸承止推式，不僅精度高，復(fù)現(xiàn)性

13、好、反應(yīng)靈敬、耐磨性能高，而且智能流量控制器設(shè)計(jì)與制作具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固以與安裝維護(hù)使用方便等特點(diǎn)。廣泛用于供水、造紙等行業(yè), 是流量計(jì)量和節(jié)能的理想儀表。在測(cè)量范圉內(nèi)，傳感器輸出的脈沖頻率信號(hào)與流體的體積流量成正比，這個(gè)比 值即為儀表系數(shù)用K表示：K=f/Q式中：f一脈沖頻率Q體積流量(m/h或L / h)每臺(tái)傳感器的儀表系數(shù)由制造廠填寫(xiě)在檢定證書(shū)中，k值設(shè)入配套的顯示儀 表中，便可顯示出瞬時(shí)流量和累積總量。主要技術(shù)參數(shù)：1. 基本參數(shù)：見(jiàn)表3.12. 介質(zhì)溫度：一20 120C3. 環(huán)境溫度：一20+50C4. 傳輸距離：傳感器至顯示儀表的距離可達(dá)500m5. 防爆等級(jí)：Exib II B

14、T47.供電電源：直流：12V;24V6. 精確度：0.5%； 1 %表3.1基本參數(shù)產(chǎn)品型號(hào)公稱(chēng)通徑(mm)流雖:范圍(m3/h)最大工作壓力(MPa)儀表系數(shù)K (1/L)(參考值)LWGY-25251-106.3210.03.5濾波整形電路渦輪流量?jī)x的關(guān)鍵在于頻率量的獲取，頻率信號(hào)電容C1濾波，再通過(guò) 電阻R1引入電壓比較器。電壓比較器LM258的主要特點(diǎn)是，輸入阻抗高輸 出阻抗低，其輸出信號(hào)經(jīng)74LS14整形送入單片機(jī)T0端口。電路原理圖如圖 3.4所示.智能流量控制器設(shè)計(jì)與制作圖3.4濾波整形電路3.6 PWM驅(qū)動(dòng)電路圖3.5為H形雙極式PWM驅(qū)動(dòng)電路。它III四個(gè)大功率晶體管和四個(gè)

15、續(xù) 流二極管組成。從單片機(jī)中輸出恒定占空比的脈沖來(lái)控制電動(dòng)機(jī)勻速的正反 轉(zhuǎn)，從而控制電磁閥的開(kāi)度增大或減小。3.7電磁閥的選型電磁閥我選擇余姚市永創(chuàng)二位二通直動(dòng)式電磁閥（編號(hào)：YCSM32） 產(chǎn)品特性：直動(dòng)式結(jié)構(gòu)；開(kāi)閉可靠，速度快；長(zhǎng)壽命。使用介質(zhì)：空氣、水、蒸汽、熱水、真空與其它氣體等。工作壓力：0.01.20MPa閥體材料：黃銅或不銹鋼sus304（可提供sus316材質(zhì)）連接尺寸:1/8、1/4、3/8G螺紋、NPT螺紋通徑（mm）: DN 16. 25、30、25、30、35、40選用電壓:DC: 12V, 24VAC: 220V110V24V 50HZ線(xiàn)圈類(lèi)型：S21B/H, 22V

16、A(AC), 15W(DC), IP65,100%ED3.8系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)原理圖如圖3.6所示13 / 234lxT- - -10IQR衛(wèi)Q14處旳RTQM)4-壬亠4:-f I ! f 4 SI?P17圖3.6系統(tǒng)原理圖4.1系統(tǒng)總流程圖第4章軟件設(shè)計(jì)圖4. 1為系統(tǒng)總流程圖圖4.1系統(tǒng)總流程圖智能流量控制器設(shè)計(jì)與制作4.2系統(tǒng)程序III Q=f/K得到流量值，則瞬時(shí)流量QLO等于INTO 口檢測(cè)到的脈沖頻率除以 210o每段時(shí)間的總流QL1量等于瞬時(shí)流量相加。系統(tǒng)分為兩部分顯示，當(dāng)按鍵 1按下時(shí)顯示的是瞬時(shí)流量值，4位有效數(shù)字，保留1位小數(shù)。當(dāng)按鍵2按下時(shí)顯 示的總流量值，8位有效數(shù)字，保

17、留2位小數(shù)。由單片機(jī)的P2.5 口輸出一頻率恒 定的脈沖，則所控制的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（正傳或反轉(zhuǎn)）一定，通過(guò)測(cè)試，當(dāng)電動(dòng)機(jī)在 此頻率下轉(zhuǎn)10s時(shí)，電磁閥由全關(guān)到全開(kāi)。所以根據(jù)課設(shè)要求將閥門(mén)開(kāi)度分為10 檔，電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)Is電磁閥開(kāi)度相對(duì)變化一檔。按鍵3按下時(shí)是使閥門(mén)開(kāi)大一檔， 按鍵4按下時(shí)是使閥門(mén)關(guān)小一檔。4. 3端口分配說(shuō)明表4.1端口分配說(shuō)明單片機(jī)端口名稱(chēng)作用說(shuō)明P1.0 口瞬時(shí)流量顯示按鍵P1口總流量顯示按鍵P1.2 口電磁閥開(kāi)大按鍵P1.3 口電磁閥開(kāi)小按鍵P0 口數(shù)碼管顯示P2.6 口數(shù)碼管段選信號(hào)P2.7 口數(shù)碼管位選信號(hào)P2.5 口PWM輸入信號(hào)P3.4 口流量脈沖輸入端口14/23智能

18、流量控制器設(shè)計(jì)與制作第5章課程設(shè)計(jì)總結(jié)本次課設(shè)設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)控制的低成本，高可靠性流量統(tǒng)計(jì)式智肓E 流量控制器，通過(guò)使用渦輪流量傳感器，將用戶(hù)實(shí)際用水量轉(zhuǎn)化為電脈沖，送入 單片機(jī)，再送入顯示單元，實(shí)現(xiàn)可觀察，并通過(guò)單片機(jī)控制電磁閥的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié) 流量的大小。從而實(shí)現(xiàn)智能流量控制。該系統(tǒng)集成度高、可靠性強(qiáng)、功耗低、結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單，可較長(zhǎng)期工作而需檢驗(yàn)，但安裝復(fù)雜，計(jì)算繁瑣。隨著測(cè)量對(duì)象的日益 增多，對(duì)流量的測(cè)量和控制也提出了更多更具體的要求，許多流量測(cè)量的疑難問(wèn) 題需要解決。23 / 23參考文獻(xiàn)1劉勇.數(shù)字電路北京：電子工業(yè)出版.M 2004 陳正振電子電路設(shè)訃與制作廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工

19、程系 M 20073 楊子文.單片機(jī)原理與應(yīng)用.西安電子科技大學(xué)出版社.M 20064 王法能.單片機(jī)原理與應(yīng)用.科學(xué)出版.M 2004 何立民.單片機(jī)高級(jí)教程.北京：北京航空航天大學(xué)出版社.M 20006張齊，杜群貴.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù).北京：電子工業(yè)出版社.M 2004附錄總程序如下所示：#include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar code table 1 = 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66.0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;uchar count

20、1 ,count2,count3,flag,aa,bb,cc,dd,ee,ff,gg,hh,aa 1 ,bb 1 ,cc 1 ,dd 1; float QL0.QL1;sbit zkb=P2A5;sbit duan=P2A6;sbit wei=P2A7;sbit keyl=PlA0;sbit key2=PlAl;sbit key3=PlA2;sbit key4=PlA3;void init()TMOD=Ox 11;TH0=0x3C;TLO=OxBO;TH 1=(65536-50000)/256;TL1 =(65536-50000)%256;EA=1;IE0=l;IT0=l;TR0=l;TR1

21、= 1;void delay(uint z)int x,y;for(x= 100;x0;x)for(y=z;y0;y-);void zkb()zkb=1;delay(80);zkb=0;delay(20);void zkbl()zkb=1;delay(20);zkb=0;delay(80);void display l(uchar aal jichar bb 1 jichar cc 1 ,uchar ddl)duan=l;PO=tablelaal;duan=0;wei=l;P0=0xfe;wei=0;delay(l);duan=l;PO=tablelbbl;duan=O;wei=l;PO=Ox

22、fd;wei=O;delay(l);duan=l;PO=tablelccl;duan=O;wei=l;PO=Oxfb;wei=O;delay(l);duan=l;PO=tablelddl;duan=O;wei=l;P0=0xf7;wei=O;delay(l);void display(uchar aa.uchar bb.uchar cc.uchar dd,uchar eeuchar ffuchar gg.uchar hh)duan=l;PO=tablelaa;duan=0;wei=l;P0=0xfe;wei=0;delay(l);duan=l;PO=tablelbb; duan=O; wei=

23、l; PO=Oxfd;wei=O; delay(l);duan=l;PO=tablelcc; duan=O; wei=l;PO=Oxfb; wei=O; delay(l);duan=l;PO=tableldd; duan=O; wei=l;P0=0xf7; wei=O; delay(l);duan=l;PO=tablelee; duan=O; wei=l;PO=Oxef; wei=O; delay(l);duan=l;PO=tablelff: duan=O; wei=l;PO=Oxdf;wei=O;delay(l);duan=l;PO=tablelgg;duan=O;wei=l;PO=Oxbf;wei=O;delay(l);duan=l;PO=tablelhh;duan=O;